无人机航测技术在中小河流划界中的应用

无人机航测技术在中小河流划界中的应用

欧阳显良，杨静学，李伟添，高旖姗

(广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635)

摘 要：中小河流管理范围与保护范围的划界工作是河湖管护的一项重要基础工作，而河道建设工程中的CAD图纸和常规1∶10 000比例尺影像地图等常规基础资料并不能清晰和准确地识别中小河流管理和保护划界起算线。该文探讨了了无人机航测技术在中小河流划界中的应用，认为该技术可以获得测区立体像对、高分辨率3D点云数据和正射影像图，可较清晰地识别堤脚线、土埂坡脚、坡式护岸岸顶等中小河流管理和保护区划界的起算线，通过空间分析结合人工目视解译，可准确地划定中小河流管理和保护区边界。

关键词：无人机；航测；划界；河流

1 概述

无人机航测遥感技术是继卫星遥感、大飞机遥感之后发展起来的一项新型航空遥感技术，是传统测量手段的有力补充，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、成果直观、适用范围广、生产周期短等特点。随着无人机与数码相机技术的发展，利用无人机进行航空摄影测量正迅速应用于工程建设、灾害应急与处理、国土监察、资源开发与保护等方面。

划定河湖管理范围和水利工程管理与保护范围是加强河湖管理和水利工程管理的一项重要基础工作，对于进一步加强河湖管理与保护、充分发挥水利工程效益具有重要意义。无人机航测技术可为逐步实现河道数字化管理提供基础资料和技术支撑，为推进“河长制”的全面落实和水流生态保护红线的划定奠定基础。

中小河流划界的关键在于堤脚、岸顶、土埂脚等起算线的识别与划定，在常用的高分辨率卫星遥感影像图中无法清晰识别它的起算线。而中小河流往往缺乏准确和详细的CAD图纸，亦存在设计阶段CAD图纸与建成后的实际工程差异较大的情况。无人机可以超低空飞行，具有获取测区的立体像对、3D点云和正射影像的能力，针对以上这种情况，本文选取大燕河试点河段应用无人机航测技术为例，探索清晰准确识别中小河流划界起算线的方法 。

2 实现途径

2.1 总体技术路线

总体技术路线如下：首先对试点河段现场调研，确定航测范围；然后执行航测外业作业，和像控布设；通过内业数据处理计算，获得试点河段3D点云数据和1∶1 000正射影像数据；基于三维点云数据和正射影像数据绘制堤脚线、护岸岸顶线和坡脚线等；根据划界依据，分河段缓冲分析得到管理和保护区边界；最后制作试点河段管理和保护区专题图。

整个工作流程实现的关键在于利用无人机航测的空三成果准确地绘制河道管理和保护边界的起算线，起算线根据河道地形地貌的不同又具有不同的形式。

2.2 试点河段划界形式

根据《防洪标准》(GB 50201—94)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2000)、《堤防工程设计规范》(GB 50286—98)等有关规范的规定、《中小河流整治工程初步设计指导意见》(水规计[2011]277 号)，以及《大燕河迎咀支流拦河坝上游河段整治工程初步设计报告》，大燕河试点河段堤防建筑物级别为4～5级。根据《广东省河道堤防管理条例》的规定，4～5级堤防构筑物护堤地宽度为5～30 m，保护范围在紧邻护堤地边界线外50～100 m。根据清城区水务局指导意见，大燕河试点河段管理范围为堤脚等构筑物外延5 m处，保护范围为管理范围边界外延50 m处。

根据河岸地物地貌类型不同，清城区大燕河治理河段划界形式主要分为以下4种情况。

1) 有堤防河段(土堤)划界(如图1所示)

管理范围：有堤防(土堤形式)的河道，其管理范围为两岸堤防之间的水域、沙洲、滩地(包括可耕地)、行洪区，两岸堤防及护堤地，护堤地应按照河道等级、自河堤背水坡脚起5 m宽度划定。

保护范围：在河道管理范围的相连地域划定50 m的保护区。

图1 有堤防河段(土堤)划界示意

2) 有护岸河段(坡式护岸)划界(如图2所示)

管理范围：无堤防、有护岸(坡式护岸)的河道，其管理范围至坡式护岸岸顶处。

保护范围：在河道管理范围的相连地域划定50 m的安全保护区。

图2 有护岸河段(坡式护岸)划界示意

3) 临近房屋河段(房屋紧靠河边)划界(如图3所示)

管理范围：临近房屋河段(房屋紧靠河边)，其管理范围为房屋临河一侧的河岸上。

保护范围：在河道管理范围的相连地域划定50 m的安全保护区。

图3 临近房屋河段(房屋紧靠河边)划界示意

4) 有简易土埂河段划界(如图4所示)

管理范围：有简易土埂的河段，其管理范围为自土埂背水侧坡脚外延5 m处划定。

保护范围：在河道管理范围的相连地域划定50 m的安全保护区。

图4 有简易土埂河段划界示意

3 结果与分析

3.1 航测作业结果

大燕河试点河段测区内海拔高度最高约为20 m，外业作业使用相机镜头焦距为20 mm的Sony 5100传感器，航拍范围覆盖整个作业区，并有一定的拓宽；原始照片地面分辨率为0.05 m，相对航高为256 m；像片重叠度为航向>80%、旁向>60%。于2016年10月28日进行了3个架次的航摄，2016年11月11日对部分受天气影响的区域进行了补摄，共获取有效影像约1 800张，影像格式为JPG，7～10 M/张，原始影像大小共计16G(航点分布如图5所示)。

图5 航点分布示意

像控点首先在室内按照设计书和像片条件进行初选位置，并制作相应的电子影像，由像控测绘人员根据电子影像，实地选点并在电子影像上刺点，然后采用广东省的连续运行参考站系统(CORS)作为测区控制系统参考，使用RTK实现像控点测量。本次工作共布设了44个像控，通过内业检查，排除了排除了野外选点位置错误和偏差较大的像控点，实际使用有效像控点37个，沿河道分布于两岸，如图6所示。平差后控制点X方向的平面中误差±0.023 m，Y方向的平面中误差为±0.02 m，Z方向的中误差为±0.008 m，满足参照《CH/Z 3003低空数字航空摄影测量内业规范》1:1 000比例尺要求。

图6 控制点分布示意

通过内业数据处理，获得了最终的航测成果包括空三加密点云数据，1：1 000比例尺正射影像图，如图7～8所示。河道划界工作的核心问题之一是起算线的确定，大燕河的空三加密点云数据构建的测区内3D点云场景，良好的辅助对堤脚线、土埂坡脚，以及坡式护岸岸顶的识别和绘制。测区最终成图面积约为8 km2。

图7 生成的加密点云数据示意

图8 正射影像示意

3.2 划界结果

本次大燕河试点河道总长约为6.2 km。应特别注意的是，河道划界与水库划界有较大不同，依据河岸地物类型不同有不同的划界规则和依据。试点河段主要类型包括有堤防河段(土堤)、有护岸河段(坡式护岸)、临近房屋河段(房屋紧靠河边)划界确权、临近房屋河段(房屋与岸边有一定距离)、有简易土埂河段等，这些地物类别的分界线可以在三维点云上清晰识别。识别了如简易土埂之类的起算线后，可进行空间分析得出最终的管理和保护区边界(如图9所示)。再根据该河段的划界形式，可空间分析得出最终的管理和保护区边界(如图10和图11所示)。

图9 点云数据上勾绘堤脚线示意

图10 划界缓冲区分析放大示意

4 总结

本文为无人机航测技术在中小河流划界中的应用工作方法探索，结果表明，基于无人机航测技术获得测区空三结果(立体像对或高分辨率3D点云数据)和正射影像图，可较清晰地识别堤脚线、土埂坡脚、坡式护岸岸顶等中小河流管理和保护区划界的起算线，通过空间分析结合人工目视解译，可准确的划定中小河流管理和保护区边界。

图11 正射影像示意

但在基于该技术进行划界的工作也存在一些问题，可能对划界精度产生影响。如部分河段岸边地形起伏较小，没有明显的岸顶，此区域人工主观判断性较强，可能带来误差；存在有许多通向岸顶的道路，造成局部地形起伏的不规整，此区域人工主观判断性较强，可能带来误差；岸顶到农田之间存在大量的树木，影响对地形的判断，此时由两侧无树木区的点云数据辅助判断，可能带来误差等。这些区域相对较少，可以通过少量的人工实地调研和与获得管理部门相关人员进行最终确认来解决，以保障最终划界成果的可靠性。

建议未来的河湖划界工作中对重点河道和水库等开展无人机航测作业，并完整的保留除界线成果以外的空三结果和正射影像图等数据，因为本文技术体系下的划界成果清晰地记录了河段的现状，可以作为治理河段的基础数据资料支撑管理部门的科学决策且执法有据。

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Application of UAV Aerial Surveying Technique in the Demarcation Line of Small and Medium River

OUYANG Xianliang,YANG Jingxue,LI Weitian,GAO Yishan

(Guangdong Research Institute of Hydropower and Water Resources, Guangdong Hydrodynamics Application Research Key Laboratory,Guangzhou 510630,China)

Abstract：The delimitation of small and medium rivers is an important basis for the management of rivers. And the CAD drawings and 1: 1 million scale image maps and other conventional basic information can not clearly and accurately identify the small river demarcation line. This paper discusses the application of UAV aerial surveying technique in the delimitation of small and medium rivers. It is considered that this technology can obtain high-resolution 3D point cloud data and orthophoto map, which can clearly identify the starting line of the demarcation line, for example, dike foot, the slope of the river bank and so on. And then, through spatial analysis combined with artificial visual interpretation, can accurately delineate the management and protected area boundaries.

Keywords：UAV; aerial technique; demarcation line; river

(本文责任编辑 马克俊)

收稿日期：2017-05-14;

修回日期：2017-06-16

作者简介：欧阳显良(1958)，男，高级工程师，从事水利信息化研究工作。

中图分类号：P237；TV211

文献标识码：B

文章编号：1008-0112(2017)08-0080-04